從物理學家的角度出發(fā)，清晰傳神地論述了以更為統(tǒng)一的方式來描述現(xiàn)實世界的理由。我們生活在一個專業(yè)化日漸增長的年代里，原因很清楚。人類一直在每一個研究領(lǐng)域孜孜以求，隨著專業(yè)的成長，它又分出下屬的專業(yè)。這個過程一再地發(fā)生，而且這是必需的、可取的。然而，目前以綜合化輔助專業(yè)化的需求也正在日益增長。原因在于，要描述復雜的、非線性的系統(tǒng)，通過將其分割為預先定義的子系統(tǒng)或方方面面是遠遠不夠的。如果對于這些彼此間處于強烈相互作用的子系統(tǒng)或各個方面只是分別加以研究，那么不管這種研究有多么細致，將其研究結(jié)果加在一起，也并不能獲得關(guān)于整體的有用的圖景。從這個意義而言，有一句古老的諺語蘊含著深刻的真理，即“整體要大于每個部分的總和”。因此，人們必須舍棄這種想法，以為嚴謹?shù)墓ぷ骶褪窃谝粋€狹隘的學科里將一個定義明確的問題弄個水落石出，而將廣泛的綜合性思維放逐到雞尾酒會中去。在學術(shù)生活里、在官僚機構(gòu)里，在其他任何地方，綜合工作并沒有得到應有的重視。這位圣塔菲研究所學人還補充道：“要尋找那些有勇氣對系統(tǒng)展開整體性粗略觀察，而不僅僅是以傳統(tǒng)方法研究系統(tǒng)的某些局部行為的人?！?/div>
>> 一切不變，但是一切皆變。盡管各種事物似乎獨立存在、特征各異，但實際上每個事物又是相同的。形式和質(zhì)料是其背后同一本質(zhì)的不同表達形式，意大利人喬爾丹諾·布魯諾于1584年在《論原因、本原與太一》中就提出了這個觀念。同樣的觀念也出現(xiàn)在極為深奧的宗教和哲學思想中。佛教最為尊貴經(jīng)典之一的《心經(jīng)》有云：“色不異空，空不異色。色即是空，空即是色?！?/div>
◆ 大爆炸宇宙學的證據(jù)
>> 在6個月的運行路線中，地球繞著太陽公轉(zhuǎn)改的位置。其結(jié)果就是附近恒星的位置經(jīng)過一年的時間看上去有點兒移動；距離越近、體積越大的恒星，位置的變動就越明顯。（由于觀察者的運動而引起目標的位移這就是視差。）通過仔細測量這一變動，可以用初等三角學來確定這顆恒星離地球的真正距離。這是確定宇宙真正范圍的首要方法。對于遠一些的恒星，由于角度太小而無法操作，所以必須使用其他方法。
>> 美國天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）利用洛杉磯郊外威爾遜山天文臺的望遠鏡觀測造父變星，試圖為廣闊的宇宙空間繪制地圖。他起先發(fā)現(xiàn)，許多造父變星顯然存在于我們所在的銀河系之外。這意味著宇宙并不是由一個而是由許多個銀河系組成的，因此證明了德國哲學家伊曼努爾·康德在近兩個世紀之前提出的觀點。
>> 每一條光帶，或者說每一種顏色，都代表著一定能量或頻率的光線，而且光線一旦通過這種途徑分離之后，對每個能量層級都可以分別進行研究。在包括我們太陽在內(nèi)的恒星光譜中，在某些特定頻率的光線中都會出現(xiàn)狹窄的暗線。
>> 實驗室研究表明，這些暗線之所以產(chǎn)生，是因為在前往地球的旅途中，光線所穿越的物質(zhì)吸收了其特定頻率的能量，使得這些特定的頻率到達我們這里的時候已被減弱了。這些暗線被稱為吸收線。每種吸收線都與一種特殊的元素相應，正是這種元素吸收了特定頻率的光的能量。顯然，這意味著通過研究星光中的吸收線，我們就可以知道恒星內(nèi)存在什么元素，總量為多少。
>> 恒星光譜能夠告訴我們這顆恒星以什么樣的速度向我們靠近或是遠離我們而去。這個原理就是多普勒效應
>> 光波似乎被拉長了，仿佛物體正在遠離我們而去。物體離我們越遠，那么紅移的程度就越大。
>> 宇宙曾經(jīng)是無限微小的，但是后來它膨脹了，而且至今仍在繼續(xù)膨脹。哈勃的研究工作為大爆炸宇宙學提供了第一個而且是最基本的證據(jù)。
>> 哈勃還指出，科學家可以通過測量宇宙膨脹的速度來推算宇宙存在的時間。
>> 估計兩個相距100萬秒差的物體，其膨脹速度（又稱哈勃常數(shù)）大約為500千米/秒（100萬秒差的距離為光在326萬年中的運行距離，大約為30.9×1018千米，或大約3000億億千米）。這個數(shù)字意味著宇宙只有20億年的年齡。
>> 現(xiàn)代科學家除了造父變星之外，還運用了好幾種其他的距離標志，表明哈勃常數(shù)在55—75千米/（秒·每百萬秒差距）之間。這意味著宇宙的年齡是在100億至160億年之間，而最新的估算大約集中在130億年。
>> 1922年，俄羅斯人亞歷山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）證明，事實上宇宙既在膨脹也在收縮。宇宙處于不穩(wěn)定狀態(tài)且正在不斷地進化中。
>> 早期宇宙過于活躍，在好幾十萬年的時間內(nèi)溫度過高，無法形成原子。但是溫度終于降低到足夠低的程度，質(zhì)子（帶正電荷）開始捕獲電子（帶一個負電荷）。在這個臨界值上，物質(zhì)呈中性，能量與光線能夠在宇宙中自由流動。
>> 宇宙背景輻射是現(xiàn)代宇宙學的核心：它試圖描繪那些微小的變化，在不久的將來為我們提供關(guān)于早期宇宙性質(zhì)的最有用的信息。
>> 宇宙學家馬克斯·泰格馬克（Max Tegmark）博士甚至說：“宇宙的微波背景對于宇宙學的重要性，就好比脫氧核糖核酸（DNA）對于生物學的重要性一樣?！?/span>
>> 大爆炸理論斷言早期宇宙主要由一些簡單元素組成，尤其是氫（大約占76%）和少部分的氦（大約占24%）。這與今天我們觀測到的宇宙中元素的比率大致相似（雖然恒星內(nèi)部的反應使得氫元素轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぴ兀F(xiàn)在氫元素的數(shù)量下降至大約71%，而所有物質(zhì)中的氦元素大約占到了28%）。
>> 林恩·馬古利斯和多里昂·薩根寫道：“我們身體中所含氫元素的狀況反映了宇宙中氫元素的狀況?！?/span>
>> 通過特別精確的測量，可知在大爆炸中，氫元素還形成了少量的鋰元素。這些也明顯接近于大爆炸時元素構(gòu)成理論所斷言的數(shù)值。
>> 但是在90年代末，從研究遙遠的Ia型超新星積累的證據(jù)表明，宇宙的膨脹速度并未在引力的影響之下減退，反而在逐漸增長，
>> 意味著還有一些至今未知的力在不斷地起著作用，從大爆炸以來保持并推進著宇宙膨脹的速度，但這種力極其微弱，根本察覺不到。這種力可能由“真空能”構(gòu)成，這是量子力學預言的一種力，它會朝引力相反的方向發(fā)生作用，驅(qū)使物質(zhì)與能量彼此分離，而不是將它們拉到一起。
>> 這個證據(jù)也許對大爆炸宇宙學是一次嚴重打擊。另一方面，它意想不到地解決了暗物質(zhì)問題，因為真空能就像一切的能量一樣具有質(zhì)量，這可以解釋天文學家一直在尋找的巨量的物質(zhì)。
>> 我們還是會認真對待大爆炸理論，原因在于它與大多數(shù)現(xiàn)代天文學、粒子物理學的經(jīng)驗性和理論性知識的組合相一致。
◆ 關(guān)于指數(shù)的注解
>> 氫原子的質(zhì)量可以寫成指數(shù)形式為1.7×10-27千克。
>> 太陽的質(zhì)量大約為2×1027噸，
>> 它包含大約1.2×1057個原子。宇宙包含大約1022顆恒星。粗略地估算宇宙中原子的數(shù)量，我們可以將這兩個數(shù)字相乘，即將二者的指數(shù)相加，得出1.2×1079個原子。
◆ 本章小結(jié)
>> 隨著宇宙不斷膨脹，它的溫度逐漸下降。物質(zhì)和反物質(zhì)彼此抵消，留下了極少量的殘余物質(zhì)。宇宙擺脫了早期那種強烈的不穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)了不同的實體——質(zhì)子、中子、光量子、電子——和不同的力，包括強作用力、弱作用力，以及引力和電磁力。
>> 幾百年之后，宇宙的溫度下降到質(zhì)子與電子能夠穩(wěn)固地結(jié)合成原子的程度，宇宙中的物質(zhì)電荷呈中性。其結(jié)果是，物質(zhì)和能量停止了它們之間不斷的相互作用，而放射線開始在宇宙中自由地流動。隨著宇宙的膨脹，射線溫度下降；如今作為宇宙的背景輻射我們能夠檢測到它。
◆ 第2章 星系和恒星的起源
>> 星系群（group）（通常直徑為幾百萬光年，擁有大約20個星系）和星系團（cluster）（最寬為2000萬光年，包含著幾百個甚至幾千個星系）。星系群和星系團由于引力的作用而聚集在一起。
>> 超星系團（supercluster，最高寬度達1億光年，大約擁有1萬個星系
>> 最近人們已經(jīng)清楚，即便超星系團在宇宙的歷史中也僅僅是一個小角色。這意味著絕大部分的宇宙物質(zhì)（90%或更多）是無法觀測的，這些物質(zhì)［稱之為暗物質(zhì)（dark matter）恰如其分］的確切性質(zhì)至今還是一個謎。
>> 太陽位于銀河系的一條臂上，距離其中心大約為27000光年。星云塵埃遮蔽我們的視野，因此看不清銀河系的中心。選自尼科斯·普蘭佐斯：《我們宇宙的未來：人類在宇宙中的命運》（劍橋：劍橋大學出版社，2000年），第97頁
◆ 早期宇宙和最初的星系
>> 大爆炸將能量與物質(zhì)分離，引力又將它們重新聚集。牛頓認為任何形式的物體都會對所有其他形式的物體產(chǎn)生某種引力。愛因斯坦認為，引力之所以發(fā)生作用是由于巨大物體能夠使時空發(fā)生彎曲。他進一步指出，引力能夠?qū)δ芰亢臀镔|(zhì)產(chǎn)生相同的作用。
>> 愛因斯坦早就證明了物質(zhì)實質(zhì)上就是凝固的能量。他又進一步巧妙地論證，證明引力能夠像彎曲物體一樣彎曲能量。
>> 1919年的一次日食中，愛因斯坦的預言受到檢驗，其結(jié)果很令人吃驚，他的理論被證明是正確的。
>> 引力對物質(zhì)和能量同時施加作用，從而造就了宇宙的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。
>> 牛頓指出，引力可以在很大范圍內(nèi)發(fā)生作用，但是距離越近，引力作用越強。準確地說，兩個物體之間的引力與它們的質(zhì)量（的平方）成正比，與它們之間的距離（的平方）成反比。
>> 這意味著引力能夠使原本兩個結(jié)合得很緊密的物體更加緊密，而對相距較遠的物體影響甚小。
>> 引力對物質(zhì)的塑造，其效果要比對能量的塑造更加明顯。
>> 宇宙早期以及星系和恒星的大部分歷史，可以被認為是大爆炸所產(chǎn)生的使宇宙膨脹的力量和使宇宙重新聚合的引力之間相互作用的產(chǎn)物。在這兩種力之間存在著不穩(wěn)定的、動態(tài)的平衡，膨脹力在大范圍內(nèi)占據(jù)優(yōu)勢，而引力則在較小的范圍內(nèi)占據(jù)優(yōu)勢（最多不超過星系團層次）。
>> 大爆炸之后的10億年中，引力造就了許多由氫元素和氦元素構(gòu)成的巨大星云。這些星云可能有幾個星系團那么大，它們自身所產(chǎn)生的引力完全抵消了宇宙的膨脹。在更大范圍內(nèi)，大爆炸所產(chǎn)生的膨脹力仍居于統(tǒng)治地位，因此這些巨大星云之間的距離隨著時間的流逝而不斷增加。
>> 當溫度上升到1000萬攝氏度時，一對氫原子就會融合為一個擁有兩個質(zhì)子的氦原子。這種核反應被稱為核聚變（fusion），也就是氫彈中心區(qū)域所發(fā)生的反應。
>> 根據(jù)愛因斯坦的公式E=mc2，當氫原子聚變?yōu)楹ぴ訒r，極少的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了巨大的能量，其釋放的能量等于物質(zhì)的質(zhì)量乘以光速的平方。
>> 根據(jù)熱力學第二定律，所有的復雜實體最終都將消亡，但是，結(jié)構(gòu)越簡單，其幸存的可能性就越大，這也是恒星的壽命比人類長得多的原因
>> 最早的恒星可能是在相對不成形的氣態(tài)星云的混沌和迅速崩塌中形成的。它們的軌道不規(guī)則，而且缺乏比氫和氦——它們形成之際僅有的元素——更重的元素，我們今天因而能夠測定其年齡。
>> 我們的太陽以每小時80萬千米的速度，大約每2.25億年圍繞銀河系中心運行一周。
◆ 宇宙學巡禮：黑洞、類星體和暗物質(zhì)
>> 引力將物質(zhì)和能量擠壓到幾乎不復存在，從而形成黑洞（black hole）。
>> 黑洞的空間區(qū)域十分致密，以至于任何物質(zhì)和能量，甚至連光都不能逃脫其引力的作用。
>> 黑洞的密度如此巨大，假如要把我們的地球變成黑洞，那必須把它壓縮成一個直徑1.76厘米的圓球。
>> 類星體是由黑洞以及恒星食物組成的。
>> 這些數(shù)量巨大的物質(zhì)究竟是由什么構(gòu)成的？
>> 第一種，這些物質(zhì)是由微小的粒子組成的，每個粒子甚至比電子都小許多，但總體卻要比其他形式的物質(zhì)更重。它們被稱為“弱相互作用大質(zhì)量粒子（從某種意義而言它們也有著一定的質(zhì)量）”，簡稱WIMP。
>> 另一種答案是，也許有許多我們看不見的巨大物體，因為它們并不發(fā)光，或者不能釋放其他形式的射線。它們可能是由恒星的殘骸或是行星狀物體組成的，被稱為“暈族大質(zhì)量致密天體”，簡稱MACHO。
>> 第三種說法，這對于暗物質(zhì)問題或許是一個很簡潔的答案：暗物質(zhì)可能實際上就是暗能量（dark energy）。
>> 大約70%的宇宙物質(zhì)/能量是由所謂的真空能（vacuum energy）所構(gòu)成的，它們發(fā)現(xiàn)于20世紀90年代晚期，這種能量加快了宇宙的膨脹速度。
139個想法
◆ 恒星的生與死
>> 恒星最重要的單一特征乃是它們的體積，或者是恒星形成之前的原始物質(zhì)星云的體積。體積決定恒星的許多特征，包括它的亮度、溫度、顏色，以及它的壽命。
>> 大多數(shù)恒星的體積在遠遠小于太陽到太陽的8倍之間，而剩下的則是太陽的8—60倍。
>> 星云胚胎中物質(zhì)的總量決定了星云的引力、收縮速度，以及星云中心的密度和熱度。新星中心的熱度決定了它燃盡所有可用燃料的速度。因此，體積大的恒星比體積小的恒星溫度更高
>> 大部分恒星，就像我們的太陽一樣，比巨型恒星燃燒得更為緩慢。但最終它們都會消耗掉全部氫元素，屆時其內(nèi)核將充滿氦元素。
>> 如果恒星足夠大的話，最初的塌陷可以使內(nèi)核的溫度上升到1億攝氏度。達到這一溫度之后，以氦為燃料的聚變反應又開始了。但與氫聚變相比，氦聚變反應只能將很少的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，因此并不能持續(xù)很長時間。
>> 在此過程中，每一次反應都需要比前一次更高的溫度，許多新的元素誕生了，其中最為豐富的是碳、氧和氮。例如，我們的太陽將連續(xù)發(fā)生這樣的情形，直到開始產(chǎn)生碳元素為止，
>> 就這樣，逐漸衰老的恒星產(chǎn)生了許多元素周期表中位置靠前的元素；體積最大的恒星，在它們生命的最后階段可以形成鐵元素（原子序列號為26），這一創(chuàng)造過程所需的溫度在40億——60億度之間。
>> 聚變反應所產(chǎn)生的新元素序列直到鐵元素才告終結(jié)。
>> 當燃料耗盡，小型和中型恒星開始變冷，最終成為熄滅的恒星，稱為白矮星。白矮星密度很大，體積與地球相仿。
>> 一顆超新星爆炸所產(chǎn)生的巨大能量與閃光，相當于1000億顆恒星或整個星系，并且可以持續(xù)好幾個星期。體積不超過太陽30倍的原始恒星，塌陷之后會形成中子星（neutron star）。在這種天體內(nèi)，原子被緊緊壓在一起，導致電子與質(zhì)子融合并形成中子。中子星上相當于太陽質(zhì)量的物質(zhì)，
>> 實際上，在極端的時間內(nèi)，超新星爆炸可以制造出元素周期表中一直到鈾為止的所有元素。
>> 在這場星系級煉金術(shù)的過程中，產(chǎn)生的氧元素最多，其次是少量的氖、鎂和硅，這些都是恒星際空間里最常見的重元素。
>> 恒星的衰亡是地球生命故事中必不可少的一個章節(jié)，因為恒星不僅創(chuàng)造了形成我們這個世界的原材料，也創(chuàng)造了能使生物圈得以存在所必需的能量。
>> 構(gòu)成我們這個世界的化學物質(zhì)，分別形成于三個不同的場所：大爆炸產(chǎn)生了氫元素與氦元素，而從碳（原子序列號為6）到鐵（原子序列號為26）的大部分元素是在中型和大型的恒星內(nèi)部逐漸形成的，其他元素則形成于超新星的內(nèi)部。
>> 推動生物圈的能量在很大程度上也源自恒星。太陽光是地球能源最重要的來源之一。
>> 地球許多重要的發(fā)展進程都是由地球內(nèi)部的熱引擎所推動的，而地球的熱量一部分源自太陽形成的過程，一部分則來自超新星所產(chǎn)生的放射性元素。
◆ 太陽的形成
>> 在形成太陽的星云中，原始氣體占98%（大約72%為氫氣，27%為氦氣）。
>> 但其中還有許多其他的元素，包括碳、氮、氧（這些元素占宇宙所有物質(zhì)的1.4%），以及鐵、鎂、硅、硫和氖（這些元素占據(jù)剩下的0.5%）。
>> 太陽的許多特征是由它的體積決定的。它是一顆黃色的恒星（光譜類型為G2），這意味著太陽屬于中等亮度的恒星。
>> 它大致形成于46億年前，還將存在40億——50億年的時間。迄今為止太陽的年齡是宇宙的1/3，它已走過了自身生命周期的一半。
>> 核爆炸使得氫原子聚變?yōu)楹ぴ?，并釋放出大量的輻射能。聚變反應產(chǎn)生以光子形式存在的能量，這些光子要從太陽致密的內(nèi)核掙扎而出，到達表面，需要花費100萬年的時間。太陽的表面溫度降低為6000攝氏度。能量從太陽表面向外輻射，遍及整個太陽系，直至太空深處。光子一旦到達太陽表面，即開始以光速運動。光子用100萬年的時間努力穿越亞原子微粒（subatomic particle）的堵塞之后，僅用8分鐘即可抵達1.5億千米之外的地球。
◆ 宇宙的范圍
>> 我們的地球在宇宙中所處的位置并不是任意的。我們之所以能夠存在，只是因為我們處于一個非典型的區(qū)域。絕大多數(shù)的空間還是真空狀態(tài)，而且十分寒6冷。
>> 我們的地球處于星系中物質(zhì)較為豐富的區(qū)域，在這個巨大的星系內(nèi)超新星產(chǎn)生了許多種元素。在這個星系中，我們居住在由一顆恒星所形成的區(qū)域內(nèi)，距離那顆成年恒星很近。甚至在星系最為致密的地方，即圓盤處，真空區(qū)域通常每立方分子大約只含有一個原子。但在地球的大氣層，在同樣大小的空間內(nèi)也許會有2500億億個分子。[插圖]而輸送這些物質(zhì)的是太陽每一秒鐘所釋放出來的能量。
◆ 第3章 地球的起源和歷史
>> 在恒星形成的過程中，盡管引力并不是唯一活躍的作用力，卻在總體上支配著整個過程。
◆ 太陽系
>> 太陽包含了太陽系中大約99.9%的物質(zhì)。
>> 太陽的形成經(jīng)歷了大約10萬年，巨大的引力把太陽星云內(nèi)的絕大部分物質(zhì)拉到了中心。但是由于離心力的作用，一些塵埃和氣體在一定的距離上環(huán)繞太陽運行，就像大型氣態(tài)行星如土星、木星、天王星和海王星的行星環(huán)一樣。
>> 太陽星云幾乎全由氫元素和氦元素組成（約占其質(zhì)量的98%），剩余的一小部分為其他元素。
>> 在太陽形成之后大約10萬年，新形成的太陽向內(nèi)側(cè)軌道噴射殘留的氣體和塵埃，被稱為金牛座T型星風（T Tauri wind）。
>> 近日行星（水星、金星、地球、火星和小行星）主要由硅酸鹽（硅和氧的化合物）、金屬和被引力所固定的氣體構(gòu)成。
>> 例如地球，它由氧（近50%）和少量的鐵（19%）、硅（14%）、鎂（12.5%），以及其他多種化學元素組成的。
>> 在宇宙范圍內(nèi)雖然與眾不同，但并非絕無僅有。僅在銀河系內(nèi)，理論上存在生命的行星系統(tǒng)就可能數(shù)以百萬計。
◆ 早期地球：熔融及冷卻
>> 月球沒有大氣層，其表面未被腐蝕，因此保留了早期歷史的痕跡。在月球表面，深深地烙下了數(shù)百萬顆流星撞擊的痕跡，在晴朗的夜晚，甚至可以用肉眼看到。在地球的早期，大約也經(jīng)歷了10億年這樣劇烈的撞擊過程，直到地球?qū)⒆约很壍乐械钠渌镔|(zhì)全部清除干凈。
>> 在太陽系形成4000萬年后，大部分偏重的金屬元素，比如鐵和鎳，像熾熱的淤泥一般陷入地心，這樣就形成了一個以鐵元素為主的地核。這個金屬的地核使地球產(chǎn)生特有的磁場。
>> 磁場起到至關(guān)重要的作用：它可以使來自太空的高能粒子偏轉(zhuǎn)方向，以確保最終產(chǎn)生生命的精密化學反應順利進行。
>> 密度較高的硅化物形成了地核與地殼之間大約厚達3000千米的地幔。
>> 這些被稱為花崗巖的較輕物質(zhì)，形成了大約35千米厚的大陸地殼。
>> 最輕的物質(zhì)，包括氫氣與氦氣，從地球內(nèi)部冒向表面。
>> 它們包括氫、氦、甲烷、水蒸氣、氮、氨氣和硫化氫。其他物質(zhì)，包括大量的水蒸氣，是彗星撞擊所帶來的。
>> 大部分的氫和氦逃逸了，但當?shù)厍蛲耆纬蓵r，它還是大到足以用引力場保留住剩余的氣體，從而形成地球第一個穩(wěn)定的大氣層。
>> 最早的海洋在35億年前形成，因為我們知道那時已經(jīng)有活的有機體存在；
>> 海洋溶解了大氣中的二氧化碳，人們所看到的天空漸漸變成了藍色。
>> 地表的液態(tài)水對我們而言具有十分重要的意義，這意味著地球的溫度已經(jīng)適宜于構(gòu)成最早生命形式的復雜而脆弱的分子的出現(xiàn)
>> 早期地球大氣中的許多成分（包括其中大部分的水），以及形成生命最初形式的有機化學物質(zhì)，可能是地球歷史上第一個10億年中彗星撞擊所帶來的。
◆ 早期地球的證據(jù)
>> 可以利用震波，即地震產(chǎn)生的震動，來斷定那里有什么。有三種震波：主波、次波和表面波。每一種波都有不同的移動速度，在通過不同物質(zhì)時受到的影響也不同。所以，通過分析不同震波到達地表的速度，可以知道大量有關(guān)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況。
>> 地球上最古老的、能夠確定年代的巖石（來自格陵蘭島）年齡大約在38億年，這是地球形成大約8億年之后。
◆ 現(xiàn)代地質(zhì)學的起源
>> 直到20世紀初發(fā)現(xiàn)了射線活動，居里夫人發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)能夠產(chǎn)生熱量，人們才認識到太陽和地球自身就擁有熱量源。
◆ 魏格納和現(xiàn)代板塊構(gòu)造論
>> 魏格納依據(jù)大量證據(jù)證明，所有的大陸曾經(jīng)是聚合在一起的。
>> 現(xiàn)代板塊構(gòu)造論起源于第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的技術(shù)。新的戰(zhàn)爭形式推動了探測潛艇的聲吶技術(shù)的發(fā)展。
>> 其中之一便是有一條海底山脈，穿越大西洋中央，也穿越了其他海洋。海嶺中央是火山鏈，噴涌而出的熔巖堆積在兩旁的海床上。
>> 正是地球內(nèi)部的熱量，為板塊的移動提供了所需的能量。熱量產(chǎn)生于地球內(nèi)部的放射性物質(zhì)，而這些物質(zhì)又形成于太陽系誕生之前的超新星大爆炸。
◆ 地球和大氣層的簡史
>> 地球歷史上的冥古宙從45.6億年前地球形成之際開始，延續(xù)了6億年左右。
>> 在這個時期，地表溫度很高、火山活動頻繁，極不穩(wěn)定，同時它還不得不忍受彗星以及其他當時還幸存的小行星的持續(xù)撞擊。
>> 大約38億年前，地質(zhì)學家稱之為太古宙的時期開始了
>> 當時的地球大氣層主要由二氧化碳、氮氣和主要由彗星帶來的硫化氫組成。幾乎沒有氧氣，因為氧非常容易與其他元素發(fā)生反應而形成化合物。
>> 大約2.5億年前，大多數(shù)的大陸板塊聚合成一塊被魏格納命名為“泛古陸”的超級大陸。它被名為“泛古洋”的浩瀚大海所圍繞。
>> 大約2億年前，泛古陸分裂為兩大塊陸地。北面是勞亞古大陸（Laurasia），包括今天亞洲、歐洲和北美洲的大部分地區(qū)；南面為岡底瓦納大陸（Gondwanaland），包括今天南美洲、南極洲、非洲、澳大利亞和印度的大部分地區(qū)。隨后，勞亞古大陸和岡底瓦納大陸各自開始分裂。
>> 最新發(fā)現(xiàn)的證據(jù)證明，在泛古陸存在之前大約5億年，地球上曾有一塊更為古老的羅迪尼亞（Rodinia）超級大陸。
◆ 第4章 生命的起源及進化論
>> 薛定諤指出：我們能夠像解釋物理學、化學那樣科學地解釋生命。
>> 像所有的復雜事物一樣，活的生物體控制著大量的能源與物質(zhì)流，所以它們一定具有某種新陳代謝的形式。它們吸收并排泄著能量與營養(yǎng)。
>> 宇宙總體趨向于無序，因而生物所能夠達到的有序性就非常令人注目了?！霸谏矬w的生命周期中所顯示的事件都表現(xiàn)出令人贊嘆的規(guī)律和秩序，這是我們所能見到的任何無生命的物體所根本無法比擬的?！?/div>
>> 薛定諤有一句名言，每一個生物體似乎都擁有令人吃驚的“不斷從它周圍環(huán)境中吸收秩序”的能力。
>> 恒星和行星可以存在數(shù)十億年，最長壽的生物（至少就我們所知）也只能活幾千年，大多數(shù)只能存活幾天或幾年。最復雜的結(jié)構(gòu)消亡如此之快，這也是生物處理超密集能量流的困難程度的一種衡量尺度：這正是生物頑強抵抗熱力學第二定律所付出的代價。
>> 在地球6億年的誕生過程中，生命的確出現(xiàn)了。
>> 與恒星或水晶這些普通的、無目的的負熵構(gòu)造不同，在與熵展開更為靈活的游擊戰(zhàn)爭的過程中，生物體能夠不斷適應新的地形以及新的挑戰(zhàn)。
>> 維持這些復雜實體的不同能源從何而來？答案很明確：最根本的源頭就是引力。我們知道，正是引力創(chuàng)造了恒星——密度和溫度極高的物體。
>> 生命形式主要是由控制原子運動的電磁力（electromagnetism）與核作用力（the nuclear forces）決定的。這些力決定了原子如何聚集又如何構(gòu)成更大、更復雜的分子。
>> 處理巨大的能量流是一項細致的工作，它需要極為精確的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造和再創(chuàng)造這種結(jié)構(gòu)的規(guī)則必然是復雜而精確的。
>> 高度精確的新陳代謝需要一個高度精確（但并不完美）的繁殖。這就是為什么像我們?nèi)祟愡@樣的大型活的生物體需要比細菌更多的遺傳學信息。
>> 從化學到生命的轉(zhuǎn)變是宇宙史上的一個巨大轉(zhuǎn)變。按照精確的新藍圖所復制的復雜生物體引入了一種歷史變遷的新類型
>> 要了解生物，我們就需要一個新的范式，一個能帶領(lǐng)我們超越核物理學、化學或地質(zhì)學規(guī)則，而進入生物學領(lǐng)域的范式。
◆ 達爾文和進化論
>> 現(xiàn)代科學試圖把生命的誕生解釋為各種無生命的力與過程所造成的結(jié)果，正如它對太陽和地球的形成所做出的解釋一樣。
>> 現(xiàn)代生物學用以解釋生命起源和發(fā)展的基本觀點就是通過“自然選擇”（natural selection）而展開的“進化”（evolution）。該理論由查爾斯·達爾文于1859年在他的著作《物種起源》中第一次做了系統(tǒng)闡述。
>> 他認為生物的變化是一個開放性的過程。
>> 一個物種就是一大批個體生物，它們彼此有足夠的相似性而能夠雜交，但相互之間又不完全相同。物種是根據(jù)這些個體生物所共有的特征，而不是它們之間微小的差異而定義的。
>> 達爾文認為，從長遠來看，最有可能得以存活和繁殖的是這樣一些個體，它們幸運地繼承了其父輩能夠稍稍更好地適應周圍環(huán)境的特征。接著，它們會把這些相同的特征遺傳給后代。
◆ 現(xiàn)代進化論的起源
>> 能夠繁衍的個體與不能繁衍的個體之間有什么差別？達爾文認為答案就是“適應性”（fitness）。
>> 在統(tǒng)計學意義上，那些幸存下來并繁衍出健康后代的個體比未能存活和繁衍的個體要略微健康一些。它們之所以能夠繁衍后代，就是因為它們健康，可以生存得更為長久，并且有健康的配偶。
>> 個體與其父母的差異是細微的，但是這種差異本質(zhì)上是隨機的。不管怎樣，它們不是“試圖”去適應?！斑M化”的不是個體，而是物種的總體特征。
>> 因為任何物種的許多個體，周期性誕生，但是其中只有少數(shù)能夠存活。我把每一個有用的微小變異得以保存下來的這一原理稱為“自然選擇”。
◆ 通過自然選擇進化的證據(jù)
>> 一些化石看起來的確是現(xiàn)存動物類型的中間物種。其中最有名的化石就是生活在1.5億年前的始祖鳥，一種像鳥一樣的恐龍。始祖鳥的樣子看起來既像是爬行動物，又像是鳥類。第一個化石樣本于1862年被發(fā)現(xiàn)，
>> 達爾文理論如今之所以被廣泛接受，是因為在20世紀可以直接觀察到進化的作用。研究像果蠅這一類繁殖很快的小物種，是最容易觀察到進化的過程的。新形式細菌出現(xiàn)以回應抗生素的使用，我們也可以從中看到進化的作用
>> 與達爾文同時代的格里格·孟德爾（Gregor Mendel）早就指出了遺傳的基本原理，他指出，盡管有性繁殖的生物從雙親那里遺傳了特性（或者說是基因），但這種遺傳處在一種分散的狀態(tài)——一些特性從父系這里遺傳，另一些特性則從母系這里遺傳。
>> 我們還確切地了解了基因是怎樣一代代遺傳下去的。脫氧核糖核酸即DNA，將遺傳信息從生物體極精確地傳遞給它們的后代，因此物種具有極大的穩(wěn)定性。
>> 當脫氧核糖核酸在復制自己的時候，平均在每十億個遺傳信息中可能會出現(xiàn)一個錯誤，其概率相當于一名打字員在輸入50萬頁文字中出現(xiàn)一處錯誤。
>> 現(xiàn)代微生物學還證實了達爾文的另一個基于直覺的想法：地球上所有的生物體都是有聯(lián)系的。
>> 所有活的生物體，從最簡單的細菌到最大型的現(xiàn)代哺乳動物，都包含使用同樣基本化學過程和途徑的細胞，而且它們都使用相同的遺傳密碼。
◆ 地球生命的起源
>> 在17世紀，通過使用最新發(fā)明的顯微鏡，研究證明空氣中充滿微小生物，
>> 所有的生物都是以有機分子為基礎(chǔ)的——也就是說，這些分子的主要成分是碳。因為碳元素能以復雜的方式結(jié)合在一起，它可以形成比其他任何元素都要復雜且有著較大差異的分子。
>> 水晶，它們自身保持著穩(wěn)態(tài)且會生長出新的水晶體。當水晶生長之際，那些繁殖出最穩(wěn)定的“后代”（也就是說這些后代最能適應周圍的環(huán)境）的化學物質(zhì)，要比后代不能很好存活的化學物質(zhì)生長得更為迅速。
>> 化學進化是如何產(chǎn)生最早的活的生物體的？必須把問題分成幾個層面。首先，我們需要解釋生命的基本原材料如何生成：這是化學的層面；其次，我們需要進一步解釋這些簡單的有機物怎樣聚合成更為復雜的結(jié)構(gòu)；最后，我們還需要解釋在所有生物中都存在的脫氧核糖核酸（DNA）精確繁殖機制編碼的起源。
>> 生物大多由碳和氫構(gòu)成，由于碳元素極具活性，所以是最關(guān)鍵的。再加上氫、氮、氧、磷以及硫，這些成分總共占了生物凈重的99%。
>> 事實證明，只要條件適宜，這些化學物質(zhì)充足，就很容易制造出簡單的有機分子，其中包括氨基酸（合成蛋白質(zhì)的材料，所有生物的基本結(jié)構(gòu)材料）與核苷（合成遺傳密碼的材料）。
>> 今天的大氣中含有大量的自由氧，對于有機分子而言這是一個極為惡劣的環(huán)境。氧是很活潑的元素，當它起反應的時候會產(chǎn)生熱量（我們通常都會意識到它在火災中的破壞力）。
>> 奧巴林和霍爾丹指出，在早期地球的大氣中幾乎不存在自由氧。也許生命是在寒武紀之前，在一個沒有氧氣的大氣中出現(xiàn)的，如此就確保了簡單的有機分子長期生存，使得化學進化所必需的復雜而緩慢運動的化學過程得以發(fā)生。
>> 美國科學家哈羅德·尤里（Harold Urey）和他的研究生斯坦利·米勒（Stanley Miller）所做的一項十分著名卻又特別簡單的實驗所證明。他們在一個巨大的密封曲頸瓶中注入甲烷、水和氨，制造了這樣一個早期大氣的模型。然后，加熱混合劑，用通電的方式輸入一些自由能量，來模擬早期地球上空必然存在的閃電。7天之后，他們在曲頸瓶中發(fā)現(xiàn)了暗紅色的軟泥。其中包含20種最重要的氨基酸中的若干種。氨基酸是簡單的有機分子（大約由20—40種原子構(gòu)成），它們以不同的模式鏈接在一起，形成在有機物及所有生物結(jié)構(gòu)中占主導地位的蛋白質(zhì)。
>> 在所有這些理論中，水扮演了至關(guān)重要的角色。氨基酸和核苷一旦形成，只要它們在水里，在某種程度上就能得到保護。
>> 2001年，在被研究者形容為海床上“消失的城市”的一大片區(qū)域里，也發(fā)現(xiàn)有原始細菌。在那里，熱量并不是由火山活動產(chǎn)生的，而是來自一種名為橄欖石（olivine）的綠色巖石與海水之間發(fā)生的化學反應。
>> 所有現(xiàn)代生命形式的關(guān)鍵似乎就是核苷的分工問題，核苷儲存并閱讀制造有機物（基因組）的指令，而蛋白質(zhì)則運用這些指令構(gòu)成一個生物體。大體而言，核苷操縱復制的過程，而蛋白質(zhì)掌控新陳代謝。
>> 當今（除一些病毒以外）一切生物遺傳密碼的關(guān)鍵就是脫氧核糖核酸，它是一種極其復雜的分子，包含數(shù)十億個原子。如果解開人類的一個脫氧核糖核酸分子，其長度將近2米。脫氧核糖核酸的原子以很精確的模式排列在一起，就像一份軟件那樣，包含創(chuàng)造一個生物所需的全部信息。
>> 在生命中核糖核酸扮演雙重角色；它能自行繁殖，并提供一整套繁殖的指令。它既是硬件也是軟件。
>> 那些至今在現(xiàn)代細胞中還在發(fā)生的各種新陳代謝過程的不斷進化。其中一個至今仍然存在于所有生物之中的新陳代謝過程，便是在一個被稱為ATP（三磷酸腺甙）的分子內(nèi)儲存能量。
◆ 第5章 生命和生物圈的進化
>> 生物復雜性不斷增長的歷史，可以概括成一系列的重大轉(zhuǎn)型。其中包括生命本身的起源、真核細胞的出現(xiàn)、有性繁殖，一如我們自己這種多細胞生物體的形成，以及形成社會團體的多種生物體的出現(xiàn)。
>> 我們原來以為，構(gòu)成人體必須有6萬到8萬個基因，但是事實并不如此，我們只達到這個數(shù)目的一半，大約為3萬個左右。圓蟲有我們基因數(shù)目的2/3（大約1.9萬），果蠅恰好有我們基因數(shù)目的一半（大約1.3萬），甚至埃希氏菌屬的大腸桿菌，一種居住于我們內(nèi)臟中的細菌，其基因數(shù)目也有4000個之多。
◆ 太古宙：細菌的年代
>> 大約38億年前，因為這一時期的格陵蘭島礁石包含有通常與生命的出現(xiàn)相關(guān)聯(lián)的C12同位素層。35億年前生命的存在則是肯定的，這一時期南非和澳大利亞西部的巖石似乎含有類似現(xiàn)代藻青菌（藍青藻）的細菌的微化石。
>> 藻青菌細胞含有葉綠素分子，它們能夠通過被稱為光合作用的基本化學反應而加工陽光。
>> 分子是由原子通過化學鍵聯(lián)結(jié)組成的。然而，創(chuàng)造化學鍵需要能量，而化學鍵的破壞也能夠釋放能量。因而，化學鍵可被視作能量儲藏器。活的生物體通過破壞化學鍵獲得儲藏在有機分子如葡萄糖中的能量。
>> 破壞化學鍵同樣需要能量，訣竅在于破壞了這個化學鍵后所釋放的能量要大于破壞所用的能量。這就是酶的工作。
◆ 元古宙：復雜性的新形式
>> 早期形式的光合作用是將硫化氫中的氫分解出來以儲存來自日光的能量。
>> 最初，自由氧很快通過化學反應被再吸收，例如包圍鐵外層的鐵銹（元古宙大量鐵銹的出現(xiàn)是我們獲知當時自由氧不斷增加的原因之一）。
>> 大約25億年前開始，自由氧產(chǎn)生得太快，以至難以通過這種方式被吸收，大氣層中便開始出現(xiàn)氧氣。大約到20億年前，自由氧約占大氣中氣體的3%；在最近的10億年里，這個數(shù)字上升到了21%。
>> 富氧大氣層的出現(xiàn)是地球生命史上最偉大的革命之一。
>> 直到20億年前，主宰地球的生命形式都是生活在海洋里的簡單的、單細胞生物體。生物學家把這些生物體稱為原核生物。
>> 大多數(shù)原核生物都是微小的，大約只有0.001毫米——0.01毫米之間，而真核細胞通常要比它們大得多。大多數(shù)真核細胞在0.01毫米——0.1毫米之間
>> 真核細胞比原核生物包含了多得多的遺傳信息，并能夠獲得更多強大的能量來源，因而具備更多的新陳代謝技巧，并且能夠產(chǎn)生更復雜的生物體。
>> 真核細胞比原核生物擁有更具靈活性和適應性的隔膜，而這種隔膜能使它們更為精確地與它們的環(huán)境交換能量、食品和糞便。真核細胞同時還有一個特殊的內(nèi)部容器，保護它們精致的遺傳機器——核子。
>> 真核細胞因而是第一個“多細胞”生物體。馬古利斯和薩根寫道：“隨著真核細胞的出現(xiàn)，生命邁出了另外一步，超越了自由遺傳傳遞的網(wǎng)絡，而走向共生現(xiàn)象的協(xié)同作用。獨立的生物體相互混合，創(chuàng)造出比它們的總和還要大的新整體?！?/div>
>> 有性繁殖以及真核細胞生物體的出現(xiàn)被認為是地球上生命歷史的重大轉(zhuǎn)折點之一。
◆ 寒武紀生命大爆發(fā)：從微觀世界到宏觀世界
>> 最早的多細胞生物體（與僅僅是生物體的集群，如疊層石等，大不相同）可能早在20億年前就逐漸形成了。[插圖]但是只在最近的10億年里才開始變得普遍。
>> 最早的多細胞生物體化石的大量出現(xiàn)，可以追溯到大約5.9億年前的埃迪卡拉紀。
>> 相近的種集合為屬，相關(guān)的屬構(gòu)成科和超科，而超科以上分別為目、綱、門，最后是界和總界。
>> 就像所有的原核生物，原始細菌沒有核子，但是與原核生物不同的是，它們不是從日光和氧氣中，而是從其他化學成分中獲取能量。
>> 多細胞生物體很快就被分為三大界：植物（通過光合作用獲得能量的生物體）、動物（消費其他生物體的生物體）和霉菌（從外部消化其他生物體后，再從其中汲取營養(yǎng)的生物體）。
>> 奧陶紀時期（5.1億——4.4億年前）孢子化石的發(fā)現(xiàn)表明，植物是最早離開海洋遷移到陸地的多細胞生物體。
>> 最初的產(chǎn)種子的樹出現(xiàn)在泥盆紀時期（4.1億——3.6億年前），它們形成了巨大的森林，現(xiàn)代煤炭儲備大多即來源于此。
>> 首先遷移到陸地上的可能是節(jié)肢動物，有點兒像巨型昆蟲。我們知道，節(jié)肢動物的出現(xiàn)是在志留紀（4.4億——4.1億年前），其中包括類似于現(xiàn)代蝎子的動物
>> 最早的脊椎動物是在5.1億到4.4億年前的奧陶紀，由海洋中像軟體蟲子一樣的祖先進化而來。最早的脊椎動物還包括早期魚類和鯊魚。
>> 所有的脊椎動物都有脊柱、肢體和神經(jīng)系統(tǒng)，神經(jīng)系統(tǒng)的部件集中于末端，即頭部。
>> 盡管最早的意識形式是在大海里進化的，但意識卻在陸上頗為壯觀地繁榮起來了。
>> 脊椎動物（即有脊梁骨的動物）最早在泥盆紀后期遷移到陸地上來，而最早的陸地遷移可能始于志留紀。
>> “大滅絕”是指大約2.5億年前（二疊紀末期）的生物的大量滅絕，就像后來的白堊紀的生物滅絕一樣，它可能是由一顆巨大的小行星碰撞所引起的。
◆ 哺乳動物和靈長目動物
>> 哺乳動物最早出現(xiàn)在三疊紀，大約與最早的恐龍出現(xiàn)的時間相同。
>> 化石記錄表明，最早的人型總科動物大約出現(xiàn)在2500萬年前的非洲。
>> 分子斷代技術(shù)表明，大約500萬年到700萬年前，人亞科原人與大猩猩亞科的進化序列分離。現(xiàn)代人類是現(xiàn)存唯一的人亞科原人成員，但是這個群體還包括許多已經(jīng)滅絕了的物種，其中就有我們的直系祖先
◆ 進化與地球的歷史：“蓋婭”
>> 大約600萬年前，地中海成為一個半封閉式的內(nèi)海，封鎖了大約世界上海洋鹽分的6%。其余的海洋由于鹽的濃度較低，比較容易結(jié)冰，南極冰冠開始迅速擴張，造成全球溫度急劇下降。
◆ 本章小結(jié)
>> 大約從6億年前，一些細胞聚集在一起形成多細胞生物體，這是地球上最早的不用顯微鏡就可觀察到的生物體。自從寒武紀的生命大爆發(fā)后，樹、花、魚、兩棲動物、爬行動物、靈長目動物都進化了。
2019.2.24
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